Topochemische Fluorierung und Defluorierung als Methode zur Entwicklung neuer Photokatalysatoren mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften

• Antragstellerin: Shama Perween, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518952364

Über photokatalytische Wasserspaltung erzeugter Wasserstoff ist eine Alternative zu nicht-erneuerbaren Energieträgern, um nachhaltige Energieerzeugung zu gestalten. In diesem Zusammenhang besteht ein wachsendes Interesse an Oxid-Halbleitern mit breiter Bandlücke, welche in der Lage sind, Sonnenlicht zu nutzen, um die Produktion von H2 aus H2O oder Kohlenwasserstoffen photokatalytisch zu induzieren. Hierzu ist es nötig, neue Materialien mit geeigneten photokatalytischen Eigenschaften und hoher Stabilität zu entwickeln. Hierzu sollen im Rahmen dieses Projekts neuartige auf Indium basierende Verbindungen des Ruddlesden-Popper-Typs (RP-Typ) entwickelt und auf deren Potential zur photokatalytischen Wasserspaltung hin getestet werden. Dazu sollen LnAEInO4 (Ln = Lanthanoid oder Y; AE = Ca, Sr, Ba) über nasschemische wie Sol-Gel und hydrothermale Methoden sowie festkörperchemische Routen systematisch hergestellt werden, wobei möglichst einphasige, kristalline Phasen mit großer Oberfläche und geeigneten Pulvermorphologien erzeugt werden sollen. Nach Erhalt des phasenreinen Oxids sollen diese innerhalb reversibler topochemischer Fluorierungs -und Defluorierungsmethoden umgesetzt werden, um eine Einstellung der Bandlücke durch die Einlagerung / Extraktion von Fluorionen zu erzielen. Darüber hinaus soll die zugrundeliegende Fluorierungschemie von RP-typ Indaten untersucht werden. Hierzu können Reaktanden wie fluorhaltige Polymere (z. B. Polyvinylidenedifluorid, (CH2CF2)n) verwendet werden, wodurch die dreiwertige Oxidationsstufe von Indium unter Bildung von LnAEInO4-xF2x (0 ≤ x ≤ 2) erhalten bleibt. Diese sollen dann mit reduktiven Reaktanden wie NaH, CaH2 oder n-Butyllithium (n-BuLi) unter Bildung niedervalenter Indium-Spezies umgesetzt werden. Durch die Verwendung niedriger Reaktionstemperaturen wird die Pulvermorphologie üblicherweise nicht geändert. Eine detaillierte Studie zu Strukturänderungen, welche durch die Fluorierung und reduktive Defluorierung hervorgerufen werden, soll durchgeführt werden in Anhängigkeit der gewählten Reaktionsbedingungen. Das erhaltene Oxid, Oxyfluorid und reduzierten Oxyfluorid werden bezüglich ihrer photokatalytischen Eigenschaftung zur Nutzung von Sonnenenergie untersucht. Hierzu wird ein Fokus auf die Untersuchung der photokatalytichen Erzeugung von Wasserstoff und auf die Bestimmung der Zusammensetzungsabhängigkeit der photokatalytischen Eigenschaften gesetzt, wodurch ein detailliertes Verständnis der zugrundeliegenden Struktur-Eigenschaftsbeziehungen geschaffen wird. Des Weiteren versuchen wir, elektrochemische Methoden für die Defluorierung von den entsprechenden Bulk- und Dünnfilmmaterialien zu nutzen. Bislang existieren keine systematischen Studien, welche eine solche auf die Anionen fokussierende Chemie nutzen, um optische Eigenschaften zu alterieren und einzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen